So funktioniert die Reizweiterleitung im Nervensystem

Darstellung einer Nervenzelle mit vergrößerter Synapse und vergrößertem Ausschnitt des Axons
Darstellung einer Nervenzelle mit vergrößerter Synapse und vergrößertem Ausschnitt des Axons.

Die Reizweiterleitung im menschlichen Nervensystem stellt einen komplexen Vorgang dar, bei dem elektrische Potenziale und chemische Signalstoffe eingesetzt werden. Dies alles passiert im Bruchteil von Sekunden, damit wir schnell reagieren können, zum Beispiel wenn wir im Straßenverkehr einem anderen Auto ausweichen müssen oder wenn wir beim Fußball den Pass eines Mitspielers annehmen möchten.
Die Reizweiterleitung kann dabei eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu etwa 150 m/s (= 540 km/h)1 erreichen. Welchen Weg nimmt der Reiz dabei in unserem Körper?

Bleiben wir im Folgenden bei dem Beispiel des Fußballspielers, der den Pass seines Mitspielers annehmen möchte: Der Reiz für sein Nervensystem ist, dass er sieht, wie der Ball den Fuß seines Mitspielers verlässt und direkt auf ihn zukommt.

Reizaufnahme

Ganz allgemein kann ein Reiz unterschiedlicher Natur sein: zum Beispiel das Wahrnehmen einer Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz. Alle Reizarten haben gemeinsam, dass sie auf die gleiche Art und Weise aufgenommen und weiterverarbeitet werden.

Die Reizaufnahme im Nervensystem geschieht über die Dendriten, dünne Fortsätze der Neuronen. Ein Dendrit im Gehirn des Fußballspielers nimmt also diesen Reiz auf, der in Form eines elektrischen Potenzials auftritt, und leitet ihn an den Axonhügel weiter, der im Zellkörper des Neurons zu finden ist.

Reizübertragung auf dem Axon

Der Axonhügel sammelt die bei den Dendriten eingehenden elektrischen Potenziale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potenzial an das Axon weiter. Dies ist eine Art Schutzmaßnahme des Nervensystems, um eine Reizüberflutung, die nicht verarbeitet werden kann, zu verhindern. Viele Axone im peripheren Nervensystem (der Teil des Nervensystems, der nicht zu Gehirn und Rückenmark gehört) werden durch einen Mantel aus speziellen Zellen (Schwann-Zellen = Hüll- und Stützzellen) elektrisch isoliert. Dabei entsteht keine durchgängige Umhüllung. Die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt und dienen einer schnelleren Übertragung von Nervensignalen — die Erregung wird hierbei in Sprüngen von einem Schnürring zum nächsten weitergegeben (saltatorische Erregungsleitung).

Wenn kein Reiz weitergegeben werden muss, zeigt das Neuron folgende Verteilung elektrischer Ladung: Im Zellinneren herrscht eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K+) und organischen Anionen (zum Beispiel Eiweiß), während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) anzutreffen sind.2 Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird (Ruhepotential). Auf der Innenseite der Zellmembrane ist die Ladung zunächst negativ. Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. Es treten impulsartige positive Änderungen auf — die Aktionspotenziale.

Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert. Abschnitte, die er bereits passiert hat, nehmen wieder ihre ursprüngliche Ladungsverteilung an.

Das Aktionspotenzial im Überblick:

  • Es erfolgt eine Spannungsänderung durch einen elektrischen Reiz.
  • Natrium-Kanäle öffnen sich und Natriumionen strömen ins Zellinnere (Depolarisation).
  • Die Zellinnenseite wird der Außenseite gegenüber an dieser Stelle positiv geladen.
  • Natrium-Kanäle schließen sich nach ein bis zwei Millisekunden3 wieder.
  • Kalium-Kanäle öffnen sich und Kaliumionen strömen aus dem Zellinneren nach außen (Repolarisation), um das Ruhepotenzial wiederherzustellen.

Reizweiterleitung am synaptischen Endknöpfchen

Noch ist das Nervensystem des Fußballers nicht so weit, dass es einen Stimulus an die Muskeln aussenden und er den Ball des Mitspielers annehmen kann. Davor muss erst noch der elektrische Impuls (auch Aktionspotenzial genannt) bei den entsprechenden Muskeln ankommen.

Am synaptischen Endknöpfchen, was dem Ende des Axons entspricht, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das elektrische Potenzial, das dort ankommt, löst die Ausschüttung chemischer Botenstoffe (sogenannte Neurotransmitter) aus. Diese wandern in den synaptischen Spalt, der zwischen dem synaptischen Endknöpfchen der einen Zelle und dem Dendriten der nächsten Zelle liegt.

Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird. Am Ende wird das Signal mittels einer sogenannten motorischen Endplatte auf die Muskelzellen übertragen, unser Fußballspieler beginnt Richtung Ball zu laufen und nimmt den Pass des Mitspielers an, um anschließend auf das Tor der gegnerischen Mannschaft zu schießen.

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1Westfälische Wilhelms-Universität Münster: Busch, Karin: Nervenphysiologie. URL: https://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/biologie/veranstaltungsinfo/med/humanbiologie_vi_-_nervensystem.pdf (03.07.2018) S.32.
2Birbaumer, N./Schmidt, R.F.: Biologische Psychologie, Leseprobe: Erregungsbildung und Erregungsleitung. URL: https://lehrbuch-psychologie.springer.com/sites/default/files/atoms/files/9783540959373_birbaumerschmidt_a7_leseprobe.pdf (04.07.2018). S. 35.
3Huch, R./Jürgens K.D.: Mensch, Körper, Krankheit. München: Urban & Fischer 62011. S.143.